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  • 輪轂電機和輪邊電機,誰將主宰未來?
    發布者:安徽鴻效   發布日期:2019-04-15 17:52

    1、輪轂電機簡介
    1.1、輪轂電機技術簡介
    輪轂電機技術又稱車輪內裝電機技術,它的最大特點就是將動力、傳動和制動裝置都整合到輪轂內,因此將電動車輛的機械部分大大簡化。
     
    輪轂電機技術并非新生事物,早在1900年,就已經制造出了前輪裝備輪轂電機的電動汽車,在20世紀70年代,這一技術在礦山運輸車等領域得到應用。
     

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    而對于乘用車所用的輪轂電機,日系廠商對于此項技術研發開展較早,目前處于領先地位,包括通用、豐田在內的國際汽車巨頭也都對該技術有所涉足。
     
    輪轂電機驅動系統根據電機的轉子型式主要分成兩種結構型式:內轉子式和外轉子式。
     
    其中外轉子式采用低速外轉子電機,電機的最高轉速在1000-1500r/min,無減速裝置,車輪的轉速與電機相同;
     
    而內轉子式則采用高速內轉子電機,配備固定傳動比的減速器,為獲得較高的功率密度,電機的轉速可高達10000r/min。
     
    隨著更為緊湊的行星齒輪減速器的出現,內轉子式輪轂電機在功率密度方面比低速外轉子式更具競爭力。
     
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    1.2、輪轂電機的優點
    1.2.1、省略大量傳動部件,讓車輛結構更簡單。
    對于傳統車輛來說,離合器、變速器、傳動軸、差速器乃至分動器都是必不可少的,而這些部件不但重量不輕、讓車輛的結構更為復雜,同時也存在需要定期維護和故障率的問題。
     
    但是輪轂電機就很好地解決了這個問題。除了結構更為簡單之外,采用輪轂電機驅動的車輛可以獲得更好的空間利用率,同時傳動效率也要高出不少。
     
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    1.2.2、可實現多種復雜的驅動方式
    由于輪轂電機具備單個車輪獨立驅動的特性,因此無論是前驅、后驅還是四驅形式,它都可以比較輕松地實現,全時四驅在輪轂電機驅動的車輛上實現起來非常容易。
     
    同時輪轂電機可以通過左右車輪的不同轉速甚至反轉實現類似履帶式車輛的差動轉向,大大減小車輛的轉彎半徑,在特殊情況下幾乎可以實現原地轉向(不過此時對車輛轉向機構和輪胎的磨損較大),對于特種車輛很有價值。
     
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    1.2.3、便于采用多種新能源車技術
    新能源車型不少都采用電驅動,因此輪轂電機驅動也就派上了大用場。無論是純電動還是燃料電池電動車,抑或是增程電動車,都可以用輪轂電機作為主要驅動力;即便是對于混合動力車型,也可以采用輪轂電機作為起步或者急加速時的助力,可謂是一機多用。
     
    同時,新能源車的很多技術,比如制動能量回收(即再生制動)也可以很輕松地在輪轂電機驅動車型上得以實現。
     
    1.3、輪轂電機的缺點
    1.3.1、增大簧下質量和輪轂的轉動慣量,對車輛的操控有所影響。
    對于普通民用車輛來說,常常用一些相對輕質的材料比如鋁合金來制作懸掛的部件,以減輕簧下質量,提升懸掛的響應速度。
     
    可是輪轂電機恰好較大幅度地增大了簧下質量,同時也增加了輪轂的轉動慣量,這對于車輛的操控性能是不利的。不過考慮到電動車型大多限于代步而非追求動力性能,這一點尚不是最大缺陷。
     
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    1.3.2、電制動性能有限,維持制動系統運行需要消耗不少電能。
    現在的傳統動力商用車已經有不少裝備了利用渦流制動原理(即電阻制動)的輔助減速設備,比如很多卡車所用的電動緩速器。
     
    而由于能源的關系,電動車采用電制動也是首選,不過對于輪轂電機驅動的車輛,由于輪轂電機系統的電制動容量較小,不能滿足整車制動性能的要求,都需要附加機械制動系統。
     
    但是對于普通電動乘用車,沒有了傳統內燃機帶動的真空泵,就需要電動真空泵來提供剎車助力,但也就意味了有著更大的能量消耗,即便是再生制動能回收一些能量,如果要確保制動系統的效能,制動系統消耗的能量也是影響電動車續航里程的重要因素之一。
     
    此外,輪轂電機工作的環境惡劣,面臨水、灰塵等多方面影響,在密封方面也有較高要求,同時在設計上也需要為輪轂電機單獨考慮散熱問題。
     
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    1.4、輪轂電機技術應用現狀
    近年來,國外輪轂電機驅動技術的應用主要體現在兩個方面:一是以輪胎生產商或汽車零部件生產商為代表的研發團隊開發的集成化電動系統;二是整車生產商與輪轂電機驅動系統生產商聯合開發的電動汽車。
     
    而在我國國內對于輪轂電機的研究多集中于高校,產品均為電動汽車,與此同時,自主品牌汽車廠商也紛紛推出了自己的輪轂電機技術產品,國內的汽車商雖然能夠生產電動汽車,但是對于輪轂電機驅動技術的研究尚不成熟,尤其是在高轉矩輪轂電機開發方面,與國外先進產品仍有一定差距。
     
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    2、輪邊電機技術概述
    2.1、輪邊電驅橋定義
    輪邊電機是電機裝在車輪邊上以單獨驅動該車輪,輪轂電機是電機嵌在車輪轱轆里,定子固定在輪胎上,轉子固定在車軸上而不是將動力通過傳動軸的形式傳遞到車輪。
     
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    輪邊電機通常是指每個驅動車輪由單獨的電動機驅動,但是電動機不是集成在車輪內,而是通過傳動電機輸出軸連接到車輪(這就是和輪轂電機的差異點。
     
    輪邊電機是電機裝在車輪邊上單獨驅動該車輪,兩側分別是一臺電機+減速器,取消了主減速器和差速器,綜合電耗比較好,輪邊電機驅動系統便于實現電子差速與轉矩協調控制,可回收制動能量,具有能量利用率高的獨特優勢。
     
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    2.2、輪邊電機的特點和存在的技術障礙
    分布式驅動技術是近些年比較熱的技術,一些企業一直在研究分布式驅動。輪邊驅動系統與中央驅動系統相比較,驅動力更集中,也會更精細化,因此在客車行業里受到較高的關注。
     
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    輪邊驅動雖然優勢突出,但是其存在的技術難題也不容忽視。目前輪邊驅動系統主要問題集中在電機的控制上,哪臺電機需要工作,在什么樣的工況下工作,這需要很長的時間來研究。
     
    車輛轉彎時兩側車輪轉動的速度不一致,分布式驅動取消差速器之后,需要電子差速控制器來完成轉彎,然而目前國內這項技術還達不到使用要求。
     
    輪邊驅動系統的驅動精細程度很高,甚至能夠精確到多少轉矩和扭力,但是越精細控制起來就會越復雜。
     
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    在車輛行駛過程中,其核心零部件VMS(整車控制器)的計算量非常大,每增加一臺電機或者一個節點,VMS的數據處理量就會成倍增加。
     
    目前仍沒有一個理想的方案完美解決輪邊驅動的差速問題,尤其在高速轉彎與路面顛簸上的差速控制。另外,由于輪邊電機非簧載質量高,影響舒適性,因此目前只有部分客車企業采用輪邊驅動技術。
     
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    2.3、輪邊電機的產業化
    采埃孚是國際上首家生產電驅動車橋的輪邊電機企業,該公司的輪邊驅動技術最早用于沃爾沃商用車。在我國,比亞迪、長江客車(五龍公司)的輪邊電機客車在2014年相繼問世。同時,中植客車等國內大型客車企業生產的獨立懸架輪邊電機產品也開始進入公告目錄??梢哉f,2014年是我國輪邊電機客車市場化的元年。
     
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    比亞迪作為國內首家推出輪邊驅動橋的車企,迄今為止搭載輪邊電機的比亞迪K9客車已經有數千輛公交車投入運行。然而,從輪邊電機驅動客車的市場運行情況來看,除了比亞迪一枝獨秀之外,其他企業似乎并無太大起色。那么,輪邊電機客車走向市場的過程中,究竟有哪些問題成為掣肘因素?
     
    分布式驅動技術市場化進程緩慢,其主要原因就是價格貴。
     
    輪邊電機以及配套電池造價高,是輪邊驅動客車成本居高不下的原因之一。如果是集中式驅動,那么只要一臺電機就足夠,而分布式驅動則需要兩套以上的驅動系統和電機,成本增加是顯而易見的。
     
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    3、輪邊電機和輪轂電機的優缺點分析
    輪邊電機和輪轂電機同屬分布式電驅動橋,都是雙電機驅動。不同的是一個把電機放進輪轂內,一個把電機放在車輪邊。
     
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    目前輪轂電機有內轉子和外轉子兩種技術方案路線,先普及一下內轉子和外轉子的區別:
     
    ◆轉子和電機主軸一起轉、電機機座固定是內轉子電機。 
    ◆轉子隨著電機外殼一起旋轉、電機主軸固定,這是外轉子電機。 
    ◆簡單說就是前者用外殼做定子,內部和主軸做轉子,這是傳統的。 
    ◆后者是用外殼做轉子,內部和主軸做定子。 
    ◆內轉子一般極數少,轉速高,轉矩小。 
    ◆外轉子一般極數多,轉速低,轉矩大。
     
    現分別用輪邊電機與外轉子和內轉子輪轂電機作對比:
     
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    3.1、輪邊電機VS外轉子輪轂電機
    外轉子輪轂電機可以用在商用車上,也可以用在乘用車上。
     
    外轉子電機由于轉速低、轉矩大,通常都不需要減速機構,而采用直驅方案。但是由于外轉子電機的結構特性,決定了其體積較大,導致占用空間大、重量偏大,這是其最大問題。
     
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    體積巨大的輪轂電機
     
    優點:取消消機械減速機構,減少傳動鏈條,也就減少了故障可能,效率更高。
     
    缺點是:在起步、頂風或爬坡等需要承載大扭矩的情況時需要大電流,很容易損壞電池和永磁體,電機效率峰值區域小,負載電流超過一定值后效率下降很快。
     
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    帶行星齒輪減速器的輪邊電機
     
    輪邊減速驅動一般采用高速內轉子電機,配備固定傳動比的減速器,能獲得較高的功率密度,內轉子電機的轉速最高可達到10000r/min。
     
    高速內轉子電機配備的減速器一般采用行星齒輪減速機構,包括行星輪、太陽輪和行星架,安裝在電機與輪轂之間。電機輸出的轉矩通過行星齒輪減速機構的減速增矩驅動輪轂轉動,從而使汽車前進。
     
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    外轉子電機大大身材導致傳統鋼圈無法使用
     
    只能使用特制鋼圈和大單胎,導致成本上升、可維修性和可更換性下降。另外體積大導致的另一個問題就是散熱困難。
     
    3.2、輪邊電機VS內轉子輪轂電機
    內轉子輪轂電機轉矩小、轉速高,需配備減速器方可驅動車輪。
     
    優點是:由于內轉子電機在高轉速下運轉,故具有較髙的比功率和效率,而且體積小,質量輕,通過減速結構的增矩后,輸出轉矩大,爬坡性能好,能保證汽車在低速運行時獲得較大的平穩轉矩。
     
    缺點是:難以實現潤滑,會使行星齒輪減速結構的齒輪磨損較快,使用壽命變短,不易散熱,噪聲比較大。
     
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    外轉子電機和內轉子電機內部結構對比圖
     
    內轉子輪轂電機和輪邊電機在傳動結構上已經趨同:都是內轉子電機+減速器,所不同的只是一個把電機藏在輪轂里,一個放在輪邊。
     
    由于內轉子輪轂電機需要集成減速器,對于乘用車前輪來說,狹小的空間內需要布置電機、減速器、制動器、轉向系統等等,故內轉子輪轂電機較少見于乘用車應用。
     
    4、輪轂電機和輪邊電機的產業化情況
    4.1、日本SIM-Drive公司
    開發電動汽車(EV)的日本風險企業SIM-Drive宣布,2010年1月到2011年3月推進的“第一輪先行開發車業務”的試制車輛已經完成。雖然開發車輛“SIM-LEI”的鋰離子充電電池容量與日產汽車的EV“LEAF”(中國名:聆風)相當,但續航距離卻達到了后者1.5倍以上的333km(JC08模式)。
     
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    LEI是“Leading Efficiency In-wheel motor”的首字母縮寫。此次開發該車時,SIM-Drive制定了“與量產直接掛鉤”的開發目標。因此,當時所面臨的課題是,如何確??晒?名成人乘坐的車內空間及超過300km的實用續航距離,以及采用適合量產的車身構造等。
     
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    SIM-LEI配備的鋰離子充電電池容量為24.9kWh,與LEAF的24kWh基本相同。日產稱JC08模式下LEAF的續航距離為200km,而SIM-LEI則達到了LEAF的1.5倍以上。
     
    關于輪內馬達的改進,特點是采用了外轉子構造,取代了原來主流的內轉子構造。雖然外轉子構造比內轉子構造復雜,但具有容易輸出較大扭矩的特點。
     
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    由于馬達本身可確保扭矩,因此不再像原來的EV馬達那樣需要減速器,從而可減少摩擦損失。“因為沒有主傳動齒輪、差動齒輪、傳動軸等,摩擦損失可減少10%左右”(SIM-Drive車輛開發統括部長兼車輛試制評估室長真貝知志)。
     
    4.2、福特
    福特汽車公司2013年展示了一款以福特嘉年華為基礎開發的eWheelDrive輪轂電機驅動汽車。eWheelDrive輪轂電機驅動系統將獨立的電動機集成于兩個后輪轂中,轉向系統采用了全新的設計,能夠讓車輛無需轉向直接平移進人側方泊車位。
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    福特嘉年華輪轂電機內部結構圖
     
    這款嘉年華使用集成于后輪轂的獨立電機來替代傳統的發動機和傳動系統,大大減少了零部件數量和動力系統的體積,讓車輛的動力系統變得更加簡單,大大提高車內空間的實用性,提高空間利用率。每個車輪獨立的輪轂電機相比一般電動車而言,也省掉了傳動半軸和差速器等裝置,同樣節省大量空間且傳動效率更高。
     
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    電動機采用液冷設計,單個電機最大功率40千瓦(54馬力),電機工作時平均輸出功率為33千瓦,兩臺電機的最大功率為80千瓦(40×2),約109馬力,連續輸出時的平均功率為66千瓦(33×2),即90馬力。電機、電子控制器、冷卻系統、制動系統全部被集成在輪圈內側。
     
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    福特汽車公司聯手其國際著名汽車零部件廠商舍弗勒(Schaeffler)以福特嘉年華為基礎而開發的eWheelDrive輪轂電機驅動汽車。該款仍處于研發階段的汽車將為汽車制造商研發更為小巧、靈活的車型打下基礎,進而改善城市移動出行并應對大城市所面臨的停車難的挑戰。eWheelDrive輪轂電機驅動技術將獨立的電動機集成于汽車的兩個后輪轂中,從而取代了傳統傳動系統中的發動機和變速器,以及用于電動車的中置發電機,從而節省了大量空間。
     
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    4.3、泰特輪轂電機
    輪轂電機的分布式驅動模塊是怎么組成的?湖北泰特的技術平臺提供了高效、安全、可靠的“交鑰匙”的電驅動總成技術,其自主研發的The Motion全套動力總成由四部分組成,分別是:
     
    a,The Wheel SM500輪轂電機驅動技術,該技術由永磁同步電機、外轉子、內置逆變器等組成; 
    b,The Drive電機驅動技術,這是電機控制的子系統; 
    c,The Control分布式驅動控制系統,這是電驅動力總成控制子系統; 
    d,The Connect高壓配電子系統。
     
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    湖北泰特制造的e-Traction輪轂電機,將輪胎、輪轂、永磁同步外轉子、定子、逆變器、壓盤集成在車輪內,其峰值輸出扭矩可高達6000-10200Nm,最高轉速達到500rpm/85-97kmph,堪稱超低速大扭矩。
     
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    早在2016年9月,作為天海集團子公司的泰特機電便耗資5500萬歐元全資收購了e-Traction公司。
     
    這家位于荷蘭的公司成立于1981年,專注于商用車輪轂電機的研發及應用,至今已超過36年。e-Traction公司的輪轂電機技術在世界范圍內處于領先地位,目前擁有200余項專利,包括100余項發明專利。經第三方機構評估,該公司目前僅專利價值就已達5800萬歐元。
     
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    4.4、ZF輪邊電機
    ZF AVE130已經批量應用
     
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    4.5、比亞迪輪邊電機
    已經批量應用于K9電動大巴,出口國外。
     
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    5、總結與展望
    從目前的應用來看,輪邊電機已經開始進入產業化,而輪轂電機尚在批量應用的前夜。
     
    輪轂電機方面,內轉子+減速器方案理論上功率密度更高、結構更緊湊,但由于技術過于復雜,目前尚未見到量產的產品;外轉子輪轂電機盡管體積大、重量大,但是由于結構相對簡單、傳動鏈條少、效率高,已經有部分企業進入量產狀態。
     
    受結構限制,從目前行業趨勢來看,外轉子輪轂電機最有可能在電動大巴上取得突破,而在重載的卡車領域可能還是輪邊電機方案更合適;另外,外轉子輪轂電機可能在一些特種領域如軍用越野和礦山電動輪等行業率先取得突破。
     
    乘用車方面,由于舒適性和操控性要求更高,輪轂內布置空間更小,制動及散熱和簧下質量等問題更加難以解決,所以輪轂電機在乘用車上的應用更加困難,盡管福特嘉年華已在幾年前推出了輪轂電機汽車,但并沒有被市場所認可;這也反應了汽車行業的一大特點:技術過關不等于產業化,也就是說,攻克技術難點、能夠實現量產,不等于消費者買賬,這中間還有成本、性能、故障率等等多方面和維度的考量。


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